(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に沿って順に配置された、カソードと、第１および第２中間電極と、アノードとを有するプラズマガンであって、
前記第１および第２中間電極とアノードはそれぞれ、プラズマを通過させるための所定の大きさの貫通孔を前記軸を中心として備え、
前記アノードには、前記第２中間電極とは逆側の側面の少なくとも一部を覆うアノードカバーが着脱可能に固定され、
前記アノードカバーは、前記第２中間電極とは逆側の側面から前記貫通孔の中心に向かって突出するつば部と、前記アノードの貫通孔の内壁を覆う筒状部とを備え、当該筒状部の内径は、前記つば部の開口部の径よりも大きいことを特徴とするプラズマガン。
【請求項２】
基板と成膜材料が配置される成膜室と、前記成膜室に接続されたプラズマガンとを有する成膜装置であって、
前記プラズマガンは、請求項１に記載のものであることを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力勾配型の直流放電プラズマガンに関する。
【背景技術】
【０００２】
直流放電によって高密度のプラズマを発生しつつも、カソード近傍を不活性ガスの高い圧力で保護することにより、プラズマ中のイオン衝突によるカソード損傷を防止する圧力勾配型のプラズマガンが知られている。このプラズマガンをアシスト源に利用した成膜装置が、特許文献１、２に記載されている。このプラズマガンは、中心部に小さな貫通孔（オリフィス）を備えた第１および第２中間電極をカソードとアノードとの間に配置し、通過するガスのコンダクタンスを小さくすることにより、カソード領域とアノード領域との間に圧力差（圧力勾配）を形成するとともに、カソードとアノードとの電位勾配を緩やかに形成する。これにより、カソード領域でのイオンの平均自由行程を極めて短くし、アノード領域からのイオン逆流衝突によるカソードの損傷を避けることができる。
【０００３】
第１および第２中間電極の貫通孔の内壁は、プラズマに直接曝されるため、スパッタエッチング現象等により消耗し、貫通孔の内径が徐々に大きくなる。そこで、特許文献３には、第１および第２の中間電極の貫通孔の内壁に、高融点金属により形成した筒状の開口部カバーを二重に螺合させた構造を開示している。これにより、内側の開口部カバーのみを簡単に短時間で交換でき、メンテナンス費用が低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０５３３６号公報
【特許文献２】特許第４１３８１９６号公報
【特許文献３】特許第３０２６９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
反射型のプラズマガンは、第２の中間電極と成膜室との間にアノードが配置される。アノードは最も成膜チャンバー寄りに位置するため、アノードの表面は成膜室雰囲気に曝され、成膜材料が付着する。このため、アノードにも、カバーが一般的に取り付けられている。アノードカバーは、成膜材料が付着したならば、取り外されて、洗浄され、再び装着して使用される。
【０００６】
しかしながら、成膜材料がＳｉＯ２のような絶縁性薄膜の場合、ＳｉＯ２が表面に付着することによりアノード表面はすぐに高抵抗化し、アノードとしての機能を果たせなくなる。これにより、プラズマが維持できなくなるため、成膜室を大気圧に戻してアノードカバーを頻繁に取り外して洗浄する必要があり、メンテナンスが煩雑である。また、長時間の連続成膜を行うことができず、成膜効率が低下する。
【０００７】
本発明の目的は、絶縁性薄膜を成膜した場合であっても、アノードの機能を長時間維持できる圧力勾配型プラズマガンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明によれば、以下のようなプラズマガンが提供される。すなわち、軸方向に沿って順に配置された、カソードと、第１および第２中間電極と、アノードとを有するプラズマガンであって、第１および第２中間電極とアノードはそれぞれ、プラズマを通過させるための所定の大きさの貫通孔を前記軸を中心として備えている。アノードには、第２中間電極とは逆側の側面の少なくとも一部を覆うアノードカバーが着脱可能に固定されている。このアノードカバーは、第２中間電極とは逆側の側面から貫通孔の中心に向かって突出するつば部と、アノードの貫通孔の内壁を覆う筒状部とを備えている。筒状部の内径は、つば部の開口部の径よりも大きい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、上述のつば部を有するアノードカバーを用いることにより、アノードの貫通孔の内壁領域に成膜粒子が堆積するのを防ぐことができる。よって、絶縁性薄膜を成膜した場合であっても、長時間アノード機能を維持し、プラズマを継続して形成することができ、連続成膜が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態の成膜装置の全体構成を示すブロック図。
【図２】図１の装置のプラズマガン１０の構成を示すブロック図。
【図３】図１の装置のアノードカバー３０をカソード１側から見た平面図。
【図４】図２のプラズマガンのアノードカバー３０に成膜粒子が堆積し、膜４０が形成される領域を示すブロック図。
【図５】比較例のアノードカバーを備えたプラズマガンの構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
【００１２】
本実施形態のプラズマガンを用いた成膜装置を図１〜図３を用いて説明する。図１は、成膜装置の全体図であり、図２は、プラズマガン１０の拡大図である。図３は、アノード４に取り付けるアノードカバー３０をカソード１側から見た平面図である。
【００１３】
図１のように、成膜室１１内には、成膜すべき基板１４を支持する基板ホルダー１３と、材料ガス導入管１７と、蒸発源１２と、蒸発源１２に電子ビームを照射するための電子ビームガン（不図示）が配置されている。基板ホルダー１３には、基板１４を加熱するためのヒーターが内蔵されている。また、基板１４と蒸発源１２との間の空間に反応ガスを供給するための反応ガス導入管１５が配置されている。
【００１４】
成膜室１１の側面にはプラズマガン１０が備えられている。プラズマガン１０は、プラズマ軸１０に沿って成膜室１１にプラズマ１０５を形成する。これにより反応ガス導入管１５から原料ガスを成膜室１１内に導入した場合には、プラズマＣＶＤにより基板１４上に膜を形成することができる。また、蒸発源１２を電子ビームにより加熱した場合には、イオンプレーティングにより膜を形成することができる。
【００１５】
プラズマガン１０は、図１および図２のように、筒状のプラズマガン容器１０３に、カソード１、第１中間電極２、第２中間電極３、アノード４をプラズマ引き出し軸１０１に沿って順に配置した構造である。カソード１、第１中間電極２、第２中間電極３、アノード４は不図示のガイシによって相互に絶縁されている。アノード４の外周側には、プラズマをガイドするための空芯コイル５が配置されている。
【００１６】
カソード１は、アーク放電に適した公知のカソード構造である。カソード１には放電ガスの導入口１０２が備えられている。
【００１７】
第１および第２中間電極２、３、ならびに、アノード４は、それぞれ中央に所定の径の貫通孔（オリフィス）２ａ，３ａ、４ａを有している。この貫通孔２ａ，３ａ、４ａが、プラズマガン容器１０３の圧力を成膜室１１よりも陽圧に維持し、圧力勾配を形成する。
【００１８】
本実施形態では、アノード４には、図２に示した形状のアノードカバー３０が着脱可能に固定されている。アノードカバー３０は、アノード４の成膜室１１側の側面の少なくとも一部を覆う平面部３１と、アノード４の貫通孔４ａの内壁を覆う筒状部３２と、平面部３１から貫通孔４ａの中心に向かって突出したつば部３３とを有する。つば部３３は、貫通孔４ａの外周に沿って設けられ、つば部３３の中心には、アノード４の貫通孔４ａよりも径の小さい開口３０ａが備えられている。筒状部３２の内径は、つば部３３の開口３０ａの径よりも大きく、筒状部３２の内壁は、成膜室１１側から見て、つば部３３の影に位置する。
【００１９】
アノードカバー３０は、高融点、かつ、低電気抵抗の金属によって形成されている。具体的には、例えば、カーボン、タングステン、および、モリブデンのうちの１以上によってアノードカバー３０を形成することができる。アノードカバー３０を低電気抵抗の金属により形成することにより、アノードカバー３０もアノード４と同電位となり、電気的にはアノード４と同様に作用する。また、高融点金属で形成されているため、プラズマに曝されて高温になっても溶融や変形を生じない。
【００２０】
カソード１とアノード４には、図１に示したように、直流電源１６が接続されている。第１および第２中間電極２、３は適切な抵抗値のホーロー抵抗２０、２１を介して直流電源１６の正極と接続されている。ホーロー抵抗２０、２１の値は、第１および第２中間電極２、３が、カソード１側からアノード４側に近づくにつれ高い電位になるように設定する。これにより、成膜室１１にプラズマを引き出すことができる。
【００２１】
また、第１および第２中間電極２，３には、磁石がそれぞれ内蔵されている。これらは、プラズマを収束させて貫通孔２ａ，３ａを通過させるための磁場を発生する。
【００２２】
以下、図１のアーク放電イオンプレーティング装置を用いて、プラズマを発生させ、基板上に成膜を行う際の各部の動作について説明する。
【００２３】
基板ホルダー１３に基板１４を取り付け、蒸発源１２には、所定の固体原料を配置する。もしくは、材料ガス導入管１７に材料ガス供給源を接続する。プラズマガン１０の内部および成膜室１１内を所定の圧力まで排気する。プラズマガン１０にＡｒガス、Ｈｅガス等の放電ガスを供給し、直流電源１６からカソード１、第１および第２の中間電極２，３ならびにアノード４に電圧を印加する。これにより、カソード１にグロー放電を生じさせ、その後、アーク放電に移行させる。プラズマガン１０のアーク放電は、貫通孔２ａ、３ａ、４ａ、および、アノードカバー３０の貫通孔３０ａを通過して成膜室１１内に引き出され、放電電子が空間電荷によって反射されてアノード４に戻る。これにより非常に均質なプラズマ１０５を成膜室１１内に発生させることができる。
【００２４】
このとき、貫通孔２ａ、３ａ、４ａは、通過するガスのコンダクタンスを小さくし、カソード領域とアノード領域との間に圧力差（圧力勾配）を形成する。これにより、カソード１領域の圧力を高い圧力、アノード４領域を低圧力に保ち、カソード１領域でのイオンの平均自由行程を短くすることができ、アノード領域からのイオン逆流衝突によるカソード１の損傷を避けることができる。また、カソード１領域に、成膜室１１側から化学的活性気体が流入するのを防止でき、カソードの化学的損傷が避けられる。
【００２５】
また、第１および第２中間電極２，３内の磁石は、貫通孔２ａ，３ａ内にカソード１からアノード４に向かう磁界を形成することにより、プラズマ１０５を貫通孔２ａ，３ａ内で収束させ、十分な量の電子を通過させ、プラズマ１０５を維持する。
【００２６】
プラズマ１０５が生成された状態で、必要に応じて反応ガス導入管１５から酸素ガス等の反応ガスを供給する。蒸発源１２を不図示の電子ビーム等により加熱し、蒸発させると、蒸気（成膜粒子）がプラズマ１０５を通過することにより反応ガスと反応し、基板１４上に到達するため、イオンプレーティングにより成膜を行うことができる。また、材料ガス導入管１７から材料ガスを供給すると、プラズマCVDにより基板１４上に膜を形成できる。例えば、材料ガスとして、シランガス、ヘキサメチルジシロキサン、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、テトラメチルジシロキサン等を用い、反応ガスとして酸素を用いた場合には、絶縁膜であるＳｉＯ２膜を基板１４上に形成することができる。
【００２７】
このとき、アノードカバー３０の平面部３１およびつば部３３の成膜室１１側の面は、成膜室１１側の雰囲気に曝されているため、図４のように成膜粒子が堆積し、絶縁性のＳｉＯ２の膜４０で覆われる。
【００２８】
しかしながら、アノードカバー３０の筒状部３２の内壁は、成膜室１１側から見てつば部３３の影になるため、成膜粒子を含む成膜室１１に曝されにくく、アノードカバー３０の筒状部３２の内壁、すなわち貫通孔４ａの内壁には、膜が堆積されにくい。したがって、ＳｉＯ２等の絶縁膜の成膜を継続しても、成膜粒子は貫通孔４ａの内壁を構成する筒状部３２には堆積せず、アノード４および筒状部３２は、電極として機能し続け、結果としてプラズマを維持することができる。
【００２９】
また、つば部３３の先端は、貫通孔３０ａの径がアノード４の貫通孔４ａよりも小さいため、プラズマの中心軸に近くに位置し、加熱される。このため、つば部３３の先端にも、膜が付きにくくなる。このことも、アノードカバー４の高抵抗化を防ぎ、プラズマ維持に貢献する。
【００３０】
このように、本実施形態では、つば部３３を備えたアノードカバー３０を用いることにより、絶縁膜の成膜を継続した場合であっても、アノード４の貫通孔の内壁（筒状部３２）には絶縁膜が形成されてないため、アノードの高抵抗化を防ぎ、プラズマを維持することができる。よって、長時間に亘って絶縁膜の成膜を行うことができ、製造効率を向上することができる。また、アノードカバー３０の交換の頻度を低減することができ、メンテナンス作業の簡略化を図ることができる。
【００３１】
実際に、本実施形態のアノードカバー３０を備えた成膜装置と、比較例として図５のようにつば部３３のないアノードカバー５０を備えた成膜装置とを用いてＳｉＯ２膜の成膜を行った。ここでは、アノード４の貫通孔４ａは、φ９０ｍｍ、本実施形態のアノードカバー３０の貫通孔３０ａは、φ４０ｍｍとした。アノードカバー３０のつば部３３の肉厚は約５ｍｍとした。その結果、表１のように、比較例のつば部のないアノードカバーを用いた場合には、１回の成膜のごとにアノードカバー３０を交換しなければならなかったが、本実施形態のアノードカバー３０を用いた場合には、成膜１０回に１回だけアノードカバー３０を交換すれば足りた。
【００３２】
また、厚さ２．０μｍのＳｉＯ２膜を１回成膜後のアノードカバーの抵抗値を測定したところ、表２のように比較例ではＭΩオーダーとなるが、本実施形態のアノードカバー３０は、筒状部３２においてアノードカバー３０の材質（例えばカーボン）が露出されており、１Ω以下であった。ただし、電気抵抗は、テスターの両端子を、筒状部３２の軸方向中央付近の表面に当てて測定した。
【表１】
0005816500.tif 000002
【００３３】
【表２】
0005816500.tif 000003
【００３４】
本発明のプラズマガンを用いた成膜方法は、絶縁性薄膜の成膜で、特に高い成膜レートが求められるものに好適である。例えば、ヘッドランプのポリカーボネート（ＰＣ）レンズ用ハードコート、窓等のＰＣ透明建材用ハードコート、ならびに、自動車のＰＣ使用窓用ハードコートに好適である。
【符号の説明】
【００３５】
１…カソード、２…第1中間電極、３…第２中間電極、４…アノード、５…空芯コイル、１１…成膜室、１２…蒸発源、１３…基板ホルダー、１４…基板、１５…反応ガス導入管、１６…直流電源、１７…材料ガス導入管、２０，２１…ホーロー抵抗、３０…アノードカバー、１０１…プラズマ軸、１０２…放電ガス導入口、１０３…プラズマガン容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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